성균관대학교와 한국과학기술연구원(KIST) 공동 연구팀이 태양광과 물만으로 고효율 수소를 생산할 수 있는 새로운 청정에너지 기술을 개발했다. 핵심은 저비용 니켈 촉매와 유기물 광흡수층*을 활용한 통합형 수소 생산 장치로, 기존의 비싼 고성능 장치보다 훨씬 경제적이면서도 효율성은 크게 향상됐다.

* 유기물 광흡수층: 유기 재료로 구성된 반도체층으로, 태양광을 흡수해 전자를 생성하는 역할을 하며, 저독성·고흡광·가공 용이성 등의 장점으로 차세대 수소 생산 광흡수 소재로 주목받고 있다.

이번 연구는 성균관대 화학공학과 양우석 교수, 조새벽 교수 연구팀과 KIST 손해정 박사팀이 공동으로 수행했으며, 차세대 청정에너지 기술로 주목받는 태양광 기반 수소 생산의 상용화를 앞당길 돌파구가 될 것으로 기대를 모은다.

태양광 수소 생산 기술은 온실가스를 전혀 배출하지 않는 차세대 에너지 생산 방식으로 각광받고 있지만, 상용화에는 여전히 높은 장벽이 존재한다. 특히, 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매와 무기 반도체 기반의 광흡수층 사용으로 인해 생산비용이 급증하는 문제가 컸다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 지구상에 풍부하고 저렴한 니켈 기반 촉매(Ni-Heazlewoodite)에 셀레늄(Se)을 첨가해 반응 활성도를 높이고 전하 이동 효율을 향상시켰다. 여기에 PM6, D18, L8-BO 세 가지 성분으로 구성된 유기물 광흡수층을 적용해 고광전류와 충분한 광전압을 동시에 확보하는 데 성공했다. 이러한 구조를 하나의 장치에 통합해, 무전해 조건에서 10% 이상의 태양광-수소 변환 효율을 달성했다.

양우석 교수는 “현재 고성능 태양광 수소 생산 소자는 너무 비싸고, 값이 저렴한 소자는 효율이 낮다”며 “이번 연구는 니켈 기반 촉매와 3성분계 유기물 광흡수층을 이용해 가격과 성능, 두 마리의 토끼를 잡아 청정 수소 생산 기술의 상용화에 중요한 마일스톤이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

손해정 박사는 “태양광에너지를 활용한 수소 생산은 향후 무탄소에너지원의 핵심기술이 될 것이다”라고 밝혔다. 

이 연구는 한국연구재단 개인 기초연구사업과 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 에너지 분야 국제학술지 ‘Carbon Energy’에 지난 2일자로 게재됐다.